張曉東　童少為

摘要：針對采油廠抽油機實際運行中容易出現(xiàn)的故障，設(shè)計了一種以STC15F204EA芯片為核心的智能控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)對抽油機電機的保護(hù)和自啟動控制，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益與應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：抽油機;電機保護(hù);自啟動;單片機

中圖分類號：TE933 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）05-0001-02

0 引言

抽油機是油田中最基礎(chǔ)、常見的設(shè)備，被采油廠大規(guī)模的使用，但由于雷擊、負(fù)荷不平衡、電網(wǎng)電壓過低等原因經(jīng)常發(fā)生停機和燒毀電機的現(xiàn)象，頻繁需要人工去重啟和維修。由于分布分散，距離中心站遠(yuǎn)，人工重啟與維修比較費時、費力，不僅影響生產(chǎn)而且維修成本也比較高。鑒于此種情況，設(shè)計一款具有保護(hù)和重啟功能的控制器具有很大的實際意義。

1 設(shè)計方案與工作原理

本控制器采用以STC15F204EA為核心的單片機控制系統(tǒng)，由電源、報警、啟動、暫停及檢測等單元組成。圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

控制器通過檢測單元實時監(jiān)視抽油機的工作狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)波動、雷擊、人為損壞等情況，造成抽油機工作不正常時，通過檢測比較三相電機的工作電流，來判斷電機是否缺相或過載，如有缺相或過載情況發(fā)生，則使電機停止運行，從而起到保護(hù)電機的作用。如果電網(wǎng)恢復(fù)正常供電、電機負(fù)載正常，則通過啟動單元自動完成重啟工作。抽油機開始運轉(zhuǎn)前，通過聲音進(jìn)行報警，提示附近人員遠(yuǎn)離，保證安全。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)電源設(shè)計

控制器的工作電源是220V、50Hz交流電，但主控芯片STC15F204EA單片機、鍵盤電路、LED等，需要提供+5V電壓;報警電路需要提供+12V電壓。故本設(shè)計中又以TOP Switch系列開關(guān)電源集成芯片構(gòu)建一輔助電源。其輸入交流電壓220V±10%，輸出為直流，給單片機提供要求的5V/1A電源。整個電路可主要分為輸入整流濾波電路、鉗位保護(hù)電路、變壓器、輸出整流濾波電路及反饋電路部分。電源系統(tǒng)電路，如圖2所示。

2.2 報警電路設(shè)計

圖3為電網(wǎng)斷電又恢復(fù)供電后，重新開機的預(yù)警裝置，三極管Q1為NPN型三極管。通電后，電阻R36輸出高電平，三極管Q1導(dǎo)通，繼電器K1使常開開關(guān)閉合，使電路導(dǎo)通，驅(qū)動預(yù)警電動喇叭開始提示電網(wǎng)恢復(fù)供電，人員請遠(yuǎn)離;二極管D13起到保護(hù)電路的作用。開機前預(yù)警電動喇叭提示時間長短，可自由設(shè)定，防止多臺抽油機同時開機造成電網(wǎng)啟動負(fù)荷過重。

2.3 啟動暫停電路設(shè)計

如圖4所示，圖中所表示的為來電啟動電路和故障暫停電路。原理同圖4，三極管為NPN型三極管。通電后，電阻輸出高電平，三極管導(dǎo)通，繼電器把開關(guān)閉合，使電路導(dǎo)通，啟動整個控制器，二極管起到保護(hù)電路的作用。

暫停電路原理與啟動電路相同，電機轉(zhuǎn)動出現(xiàn)故障后，繼電器把常閉開關(guān)斷開，使電路斷路，暫停整個系統(tǒng)的運行。

2.4 檢測電路設(shè)計

檢測電路用來檢測三相電機工作電流，判斷整個三相電源電路中是否產(chǎn)生缺相，并能檢測出電機是否過載。

通過電流互感器T2、T3、T4檢測三相電機工作電流大小，串連一個0.1的電阻，將電流信號變換為電壓信號，再通過精密整流電路和RC濾波電路，將電壓平均值穩(wěn)定在5V，直接接入單片機。單片機控制AD進(jìn)行高速采樣，然后對采樣結(jié)果進(jìn)行運算即可得到被測電流的有效值。

2.5 鍵盤指示燈設(shè)計

圖5為控制器的鍵盤指示燈電路。

智能抽油機控制器前面板有一個指示燈和一個按鍵，當(dāng)按鍵按下時，指示燈為黃色閃動，長時間連續(xù)按下時，指示燈變成黃色常亮，同時驅(qū)動外接預(yù)警電動喇叭發(fā)出提示音，提示音播放時間長短由按鍵按下時間決定，這個時間也是預(yù)警啟動時間。按鍵釋放，預(yù)警電動喇叭停止播放，完成預(yù)警時間設(shè)定，智能抽油機控制器自動轉(zhuǎn)入正常工作狀態(tài)或報警工作狀態(tài)。

抽油機有三種工作狀態(tài)。正常工作狀態(tài)：綠色指示燈閃爍，電網(wǎng)供電正常，抽油機工作正常;報警工作狀態(tài)：紅色指示燈閃爍，電網(wǎng)供電正常，抽油機停機;設(shè)定工作狀態(tài)：黃色指示燈閃爍;黃色指示燈瞬間閃爍一次：存儲當(dāng)前工作狀態(tài)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本設(shè)計的主控芯片采用STC15F204EA單片機，系統(tǒng)軟件采用C語言編程。系統(tǒng)的主程序包含A/D采集子程序、讀寫存儲器子程序等。當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)供電時，首先讀取存儲器狀態(tài)，判斷是人為停機還是電網(wǎng)停機，若是人為停機，系統(tǒng)則不采取任何動作;若為電網(wǎng)停機，將啟動喇叭和電機。然后掃描鍵盤，判斷鍵盤動作;讀取電機狀態(tài)，判斷電機狀態(tài)是否改變。最后，檢測電流，判斷三相電流是否平衡，若不平衡，將電機暫停。

4 結(jié)語

本文設(shè)計的基于STC15F204EA單片機的智能控制器，采用一種簡單、實用、低成本的方案，能夠在超載時保護(hù)電機并實現(xiàn)電機停機后的自啟動控制，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的作用，用它來對油田使用的抽油機恢復(fù)供電和保護(hù)電機，給采油廠帶來極大的方便，節(jié)約大量的人力和物力。

參考文獻(xiàn)

[1] 杜豫平，莊乾成，周西峰.三相電機智能監(jiān)控器設(shè)計[J].電子質(zhì)量，2013，7（3）：47-50.

[2] 童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3] 丁向榮.增強型8051單片機原理與系統(tǒng)開發(fā)[M].清華大學(xué)出版社，2013.